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一種讀寫深度可配置的異步FIFO設計

作者: 時間:2016-10-22 來源:網(wǎng)絡 收藏

引言
隨著設計復雜度的不斷提高,現(xiàn)代電子信息設計中,單一時鐘驅(qū)動已無法滿足設計與應用的需求。基于多時鐘驅(qū)動的設計已經(jīng)越來越普遍,在異步時鐘域的設計中,跨時鐘域傳輸是必須考慮的一個問題。控制一般使用握手協(xié)議來實現(xiàn)異步傳輸,對于異步時鐘域大量的傳輸則經(jīng)常使用異步FIFO來實現(xiàn)。
基于FIFO進行跨時鐘域傳輸?shù)木唧w設計,主要借助于FIFO的空/滿狀態(tài)來控制對FIFO的讀寫操作。在部分使用處理器檢測空/滿狀態(tài)標志的設計中,當FIFO已經(jīng)空或滿時,處理器會出現(xiàn)來不及響應的情況,從而造成數(shù)據(jù)的溢出或者數(shù)據(jù)流的斷流現(xiàn)象。這無法滿足一些設計的嚴格要求,所以就有了半空/半滿標志的使用。但針對一些大容量的FIFO,簡單使用半空/半滿標志進行FIFO的讀寫控制時,因為具體應用的不同,會有部分FIFO的存儲資源沒有使用,造成硬件資源的浪費。
針對這一現(xiàn)狀,本文提出一種讀寫深度可配置的FIFO設計。通過對寄存器的配置,來設定產(chǎn)生有效FIFO讀寫控制信號時FIFO的深度。在提高硬件資源利用率的同時,還可以通過寄存器的配置,使設計滿足于不同的具體應用。

1 異步FIFO的工作原理簡述
通用異步FIFO的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由圖中可以看出,異步FIFO由4部分組成:存儲器模塊、寫地址邏輯模塊、讀地址邏輯模塊、同步模塊。其中,寫地址邏輯模塊和讀地址邏輯模塊是兩個相互獨立的時鐘域模塊。

本文引用地址:http://2s4d.com/article/201610/309099.htm

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FIFO的空/滿狀態(tài)的判斷是FIFO設計中的一個關(guān)鍵部分,主要通過對讀/寫地址的比較來實現(xiàn)。鑒于讀/寫地址的控制邏輯分別工作在各自的時鐘域下,進行比較時,通常將二進制碼的地址轉(zhuǎn)換為格雷碼的編碼方式,傳輸?shù)疆惒綍r鐘域再進行比較,以使亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生處于可以接受的范圍之內(nèi)。對于FIFO的讀寫,當FIFO的滿狀態(tài)信號有效時,禁止寫操作;當FIFO的空狀態(tài)有效時,禁止讀操作。

2 深度可配置的異步FIFO設計
本文所提出的深度可配置異步FIFO的設計,在通用異步FIFO的基礎上,增加半空/半滿狀態(tài)標志的產(chǎn)生,同時通過寄存器的配置,可動態(tài)調(diào)整所增加狀態(tài)標志的產(chǎn)生條件,從而實現(xiàn)應用中的深度可配置。其接口框圖如圖2所示。

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各接口的說明為:wdata為寫入數(shù)據(jù),rdata為讀出數(shù)據(jù);wrst_n為寫時鐘復位信號,rrst_n為讀時鐘復位信號;wr_en為寫使能信號,rd_en為讀使能信號;welk為寫時鐘,rclk為讀時鐘;full為輸出滿狀態(tài)信號,empty為輸出空狀態(tài)信號;hempty為半空信號,hfull為半滿信號;具體半空半滿信號的產(chǎn)生可由rd_depth_reg與wr_depth_reg控制。
在采用此FIFO的設計中,full與empty信號分別用于控制寫操作與讀操作。當full有效時,禁止寫操作。同樣,當empty有效時,禁止讀操作,從而避免寫覆蓋與讀空的發(fā)生。但是在數(shù)據(jù)路徑中,為了防止讀數(shù)據(jù)流的間斷,在半空狀態(tài)時就會開始寫操作;在半滿狀態(tài)時就開始讀操作,防止寫滿后禁止寫操作再進行讀取造成數(shù)據(jù)的丟失。
在FIFO的邏輯設計中,空/滿及半空/半滿狀態(tài)標志的產(chǎn)生都是由讀/寫地址的指針來判斷的。對于空狀態(tài)主要有兩種情況:復位時讀/寫指針相等或者讀指針趕上寫指針狀態(tài)。但是,若寫指針循環(huán)一次趕上讀指針時,此時讀/寫指針相等應該為滿狀態(tài)。所以,單獨的從讀/寫指針是否相等不能判斷是空狀態(tài)還是滿狀態(tài)。
一種區(qū)分空和滿狀態(tài)的設計方法是,對兩個指針各增加一個冗余位。當寫指針增加到最后的FIFO地址時,寫指針將增加沒有用到的最高位,同時復位其他位,F(xiàn)IFO的空滿條件如圖3所示(FIFO轉(zhuǎn)過一圈,并置位最高位)。讀指針也是同樣的情況。如果兩個指針的最高位是不同的,則意味著寫指針比讀指針多轉(zhuǎn)了一圈。如果兩個指針的最高位是相同的,則意味著兩個指針轉(zhuǎn)過了同樣的圈數(shù)。n位的指針中,用n-1位來指向整個FIFO的內(nèi)存緩沖區(qū)。當兩個指針包括最高位在內(nèi)的所有位都相等時,F(xiàn)IFO為空。當兩個指針除了最高位外,其他位都相等時,F(xiàn)IFO為滿。

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半空/半滿狀態(tài)信號的產(chǎn)生與空/滿狀態(tài)類似,根據(jù)對讀寫指針除去冗余位差值的比較,來判斷半空半滿狀態(tài)。當冗余位相同時,半滿信號為寫指針減去讀指針大于FIFO物理深度的一半,半空信號則為差值小于FIFO物理深度的一半。當冗余位不同時,半滿信號為讀指針減去寫指針小于FIFO物理深度一半,半空信號為差值大于FIFO物理深度的一半。
在部分實際應用中,若嚴格按照半空/半滿條件,雖然保證了數(shù)據(jù)的不丟失,但數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸?shù)纳疃葍H為FIFO物理深度的一半,從而造成了對硬件邏輯資源的浪費。因此,對于半空/半滿狀態(tài)標志的判斷,臨界值采用寄存器配置的方式保證數(shù)據(jù)的不丟失,同時又盡可能地利用現(xiàn)有FIFO的存儲資源,提高數(shù)據(jù)吞吐率。

結(jié)語
本文對異步FIFO的工作原理進行了簡單介紹,同時提出了一種深度可配置的異步FIFO的設計方法。這種深度可配置的異步FIFO的設計方法,對于含有DMA外設的電路及在高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,可進行高效可靠的數(shù)據(jù)讀取操作,同時可提高硬件資源的利用率。



關(guān)鍵詞: 數(shù)據(jù) 信號

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